Mehmet Sait DERSE. Yüksek Lisans Tezi. Fizik Anabilim Dalı. Danışman: Yrd. Doç. Dr. Osman PAKMA

Transkript

1 BATMAN N İKLİM KOŞULLARNDA EĞİMLİ DÜZLEME GELEN GÜNEŞ ŞNMNN FARKL AÇ DEĞERLERİNDE BELİRLENMESİ Mehmet Sait DERSE Yüksek Lisans Tezi Fizik Anabilim Dalı Danışman: Yrd. Doç. Dr. Osman PAKMA Şubat 2014

2 T.C. BİNGÖL-BATMAN ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BATMAN N İKLİM KOŞULLARNDA EĞİMLİ DÜZLEME GELEN GÜNEŞ ŞNMNN FARKL AÇ DEĞERLERİNDE BELİRLENMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Mehmet Sait DERSE Enstitü Anabilim Dalı : FİZİK Tez Danışmanı : Yrd. Doç. Dr. Osman PAKMA Şubat 2014

3 T.C. BİNGÖL-BATMAN ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BATMAN N İKLİM KOŞULLARNDA EĞİMLİ DÜZLEME GELEN GÜNEŞ ŞNMNN FARKL AÇ DEĞERLERİNDE BELİRLENMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Mehmet Sait DERSE Enstitü Anabilim Dalı : FİZİK Bu tez tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile kabul edilmiştir. Doç. Dr. Yrd. Doç. Dr. Yrd. Doç. Dr. Ömer GÜLLÜ Osman PAKMA Veyis TÜRÜT Jüri Başkanı Üye Üye Yukarıdaki sonucu onaylarım Doç. Dr. İbrahim Yasin ERDOĞAN Enstitü Müdürü

4 ÖNSÖZ Yüksek lisans tezi olarak sunduğum bu çalışma Yrd. Doç. Dr. Osman PAKMA rehberliğinde gerçekleştirilmiştir. Çalışmam boyunca yardımlarını hiçbir şekilde esirgemeyen değerli hocam Yrd. Doç. Dr. Osman PAKMA ya teşekkürlerimi sunarım. Laboratuar çalışmalarım boyunca yardımını hiçbir zaman esirgemeyen ve laboratuarını kullanmama izin veren Batman Üniversitesi öğretim üyesi Doç. Dr. Ömer GÜLLÜ hocama teşekkür ederim. Batman ve Bingöl Üniversitesi Fizik Bölümü öğretim üyeleri hocalarıma teşekkür ederim. Yardımlarını gördüğüm Hakkı ÖZTÜRKER e teşekkür ederim. Ayrıca maddi ve manevi desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen aileme ve arkadaşlarıma teşekkür ederim. Tez çalışmasına desteklerinden dolayı Batman Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü ne (Proje No: 2010-FED-03) teşekkür ederim. Mehmet Sait DERSE Batman 2014 ii

5 İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ... ii İÇİNDEKİLER... iii SİMGELER VE KSALTMALAR LİSTESİ... v ŞEKİLLER LİSTESİ... vii TABLOLAR LİSTESİ... viii ÖZET... ix ABSTRACT... x BÖLÜM 1. GİRİŞ... 1 BÖLÜM 2. MATERYAL VE METOT Güneş Enerjisi Temel Güneş Açıları Türetilmiş Güneş Açıları Güneş şınım leri Eğimli Düzleme Gelen Teorik Güneş şınım leri Eğimli Düzleme Gelen Doğrudan Güneş şınım leri Eğimli Düzleme Gelen Yayılım Güneş şınım Şiddeti leri Eğimli Düzleme Gelen Yansıyan Güneş şınım Şiddeti leri Yatay Düzleme Gelen Teorik Güneş şınım leri Yatay Düzleme Gelen Yayılı ve Doğrudan Güneş şınım Hesaplama leri Batman İlinin Güneş Enerjisi Potansiyeli iii

6 BÖLÜM 3. ÖLÇÜM ARAÇLAR VE SİSTEMİ Piranometre BÖLÜM 4. BULGULAR VE TARTŞMA Batman İli İçin Toplam Güneş şınım Şiddeti Hesaplamaları Yatay Düzleme Gelen Saatlik Toplam Güneş şınım Şiddeti İstatistiksel Analiz Yöntemleri Yatay Düzleme Gelen Yayılı ve Doğrudan Güneş şınım Şiddeti Hesaplamaları Eğimli Düzleme Gelen Saatlik Toplam Güneş şınım Şiddeti Hesaplamaları 42 BÖLÜM 5. SONUÇLAR VE TARTŞMA KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ iv

7 SİMGELER VE KSALTMALAR LİSTESİ MAE MAPE MGM MSE RMSE TOE WRC YEGM F f G sc 0 b b, d d, r, k b k d k D k T n S S 0 t : Ortalama mutlak hatası : Ortalama mutlak hata yüzdesi : Meteoroloji Genel Müdürlüğü : Hata kareler ortalaması : Ortalama karekök hatası : Ton petrol eşdeğer : Dünya ışınım merkezi : Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü : Bulutlanma derecesi : Güneş sabiti düzeltme faktörü : Güneş sabiti : Yatay düzleme gelen saatlik toplam güneş ışınım şiddeti : Atmosfer dışı saatlik toplam güneş ışınım şiddeti : Yatay düzleme gelen saatlik doğrudan güneş ışınım şiddeti : Eğimli düzleme gelen doğrudan güneş ışınım şiddeti : Yatay düzleme gelen saatlik yayılı güneş ışınım şiddeti : Eğimli düzleme gelen yayılı güneş ışınım şiddeti : Eğimli düzleme gelen yansıyan güneş ışınım şiddeti : Eğimli düzleme gelen saatlik toplam güneş ışınım şiddeti : Doğrudan ışınım katsayısı : Yayılım ışınım oranı : Yayılım ışınım katsayısı : Atmosferin saatlik berraklık indeksi : Gün sayısı : Güneşlenme süresi : Gün uzunluğu : Güneş saati v

8 Z ρ ϕ ω δ θ z α ψ : Rakım : Albedo : Enlem : Saat açısı : Güneş deklinasyon açısı : Güneş zenit açısı : Güneş yükseklik açısı : Güneş azimut açısı : Eğim açısı vi

9 ŞEKİLLER LİSTESİ Şekil 1.1. Dünyada Güneş enerjisinden farklı tipte kurulu kapasite değerleri 2 Şekil 1.2. Yıllara göre güneş enerjisinden toplayıcılar vasıtasıyla ısı enerjisine dönüştürülerek doğrudan su kullanımında dünyadaki kurulu güç gelişimi Şekil 1.3. Güneş enerjisinden toplayıcılar vasıtasıyla ısı enerjisine dönüştürülerek doğrudan sıcak su kullanımında dünyadaki devletlerin kurulu güç yüzdeleri 3 Şekil 2.1. Güneş ışınım spektrumu Şekil 2.2. Global ışınım bileşenleri.. 7 Şekil 2.3. Enlem (ϕ), saat açısı (ω) ve güneş deklinasyon açısı (δ)... 8 Şekil 2.4. Zenit, güneş, yükseklik ve azimut açıları Şekil 2.5. Türkiye güneş enerjisi haritası Şekil 2.6. Batman ilinin güneş enerjisi haritası Şekil 3.1. Termo-çift 29 Şekil 3.2. Kipp&Zonen CM11 piranometre yapısı Şekil 4.1. Batman ili için ölçülen ve hesaplanan yatay düzleme gelen aylık ortalama günlük toplam güneş ışınımı şiddeti değerleri vii

10 TABLOLAR LİSTESİ Tablo 1.1. Türkiye deki bölgelere göre güneş potansiyeli... 4 Tablo 3.1. Kipp&Zonen CM11 piranometresinin teknik özellikleri Tablo 4.1. Batman iline ait Ekim 2011-Ekim 2013 tarihleri arasındaki aylık ortalama, 0, S ve S 0 değerleri 33 Tablo 4.2. Batman iline ait çeşitli modellere göre hesaplanmış aylık ortalama Günlük toplam güneş ışınım şiddeti değerleri ( 10-16). 34 Tablo 4.3. Batman iline ait çeşitli modellere göre hesaplanmış aylık ortalama günlük toplam güneş ışınım şiddeti değerleri ( 17-23) Tablo 4.4. Batman iline ait çeşitli modellere göre hesaplanmış aylık ortalama günlük toplam güneş ışınım şiddeti değerleri ( 24-30) Tablo 4.5. Batman iline ait çeşitli modellere göre hesaplanmış aylık ortalama günlük toplam güneş ışınım şiddeti değerleri ( 31-33) Tablo 4.6. Batman ili için toplam güneş ışınım şiddeti hesaplama modellerinin istatistiksel analizleri Tablo 4.7. Batman iline ait yatay düzleme gelen hesaplanmış yayılı ve doğrudan güneş ışınım şiddeti değerleri ( 34-36) Tablo 4.8. Batman iline ait yatay düzleme gelen hesaplanmış yayılı ve doğrudan güneş ışınım şiddeti değerleri ( 37-38) Tablo 4.9. Batman ili için 15 o ve 30 o için model bileşenleri Tablo Batman ili için 45 o ve 60 o için model bileşenleri Tablo Farklı açı değerleri için belirlenmiş en iyi iki optimum model viii

11 ÖZET Anahtar Kelimeler: Güneş ışınım şiddeti, güneş ışınım modelleri, eğik düzlem, Batman. Bu çalışmada; Batman ili iklim koşullarında yatay ve dört farklı açı değeri için eğimli düzleme gelen güneş ışınım değerleri ölçülmüştür. Elde edilen veriler listeratürde verilen modellerden elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılarak optimum modeller tespit edilmiştir. İncelemesi yapılan modellerde hata kareler ortalaması (MSE), ortalama mutlak hatası (MAE), ortalama karekök hatası (RMSE) ve ortalama mutlak hata yüzdesi (MAPE) istatistiksel sonuçları istatistiksel hata testlerine bağlı olarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca Batman da aylık ortalam günlük global güneş ışınımı hesabı için yeni bir eşitlik geliştirilmiştir. ix

12 DETERMNATON OF SOLAR RADATON ON NCLNED PLANE AT DFFERENT ANGLES VALUES FOR CLMATC CONDTONS OF BATMAN ABSTRACT Keywords: Solar radiation incident, solar radiation models, tilted surface, Batman. n this study; hourly global solar radiation on tilted surfaces is measured at four different slope angles in Batman. The data obtained from measurements are compared with solar models and the optimum solar models are determined. Statistical results obtained from the mean square errors (MSE), mean absolute errors (MAE) and root mean square errors (RMSE) and mean absolute percentage error (MAPE) of the examined models were compared on the basis of statistical error tests. Besides, a new equation was developed to calculate monthly average daily global solar radiation in Batman. x

13 BÖLÜM 1. GİRİŞ Dünya üzerinde kullanılan enerji kaynaklarının çoğunluğu fosil kaynaklarına dayalıdır. Fosil kaynaklarının ileri ki yıllarda tükeneceği göz önüne alınırsa yeni enerji kaynaklarının kullanımı zorunlu hale gelecektir. Fosil kaynaklarının sebep olduğu en büyük problemlerden bir tanesi küresel ısınmadır. Bu nedenle ileri ki yıllarda gelecek nesillere yaşanabilecek bir dünya bırakmak istiyorsak kullanacağımız yeni enerji kaynaklarının çevreyi kirletmeyen ve kendini yenileyebilen bir enerji kaynağı olması son derece önemlidir. Bu tür enerji kaynakları temiz ve yenilenebilir enerji kaynakları olarak isimlendirilmektedir. Temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarından en çok bilinenleri jeotermal enerji, hidroelektrik enerji, biokütle enerjisi, rüzgâr enerjisi ve güneş enerjisidir. Bu kaynaklardan en göze çarpanı güneş enerjisidir. Güneş enerjisinin diğer enerji kaynaklarından en büyük avantajı bol, temiz ve tükenmez bir kaynak olmasından dolayı yerel uygulamalar için kullanımını elverişli kılmakta ve her yerde faydalanılmasının önünü açmaktadır. Güneş enerjisinden; binalarda ısıtma ve soğutma, sıcak su elde edilmesi, endüstriyel işlemler ve elektrik çevrimi için faydalanılmaktadır. Şu an için dünyadaki güneş enerjisi kaynakları enerji talebinin çok küçük bir oranını karşılamaktadır. Her yıl dünya yüzeyine ulaşan güneş ışınlarının enerjisi 80 milyar ton petrole eşdeğerdir (TOE). Bu değer dünyada her yıl tüketilen enerjinin yaklaşık katına eşittir ve fosile dayalı kaynakların tüm rezervlerinden elde edilen enerjiden daha fazladır (Nebbia, 2001). Güneş enerjisinden en çok sıcak su elde etmek için termal ısı sistemlerinden ve elektrik çevrimi için de fotovoltaik ve solar termal elektrik sistemlerinden faydalanılmaktadır. Dünya üzerinde yalnız güneş enerjisine dayalı 2011 yılına ait kurulu toplam kapasite değerleri Şekil 1.1 de verilmektedir. Güneş enerjisinden toplayıcılar vasıtasıyla ısı enerjisine dönüştürülerek doğrudan sıcak su kullanımında dünyadaki kurulu güç Şekil 1.2 de görüldüğü gibi son 10 yılda 5 katına çıkmıştır. Şekil 1.3 te ise 2011 yılı itibari ile

14 2 güneş enerjisinden sıcak su temininde kurulu gücün ülkelere göre dağılımı verilmektedir. Dikkat edilirse ülkemiz % 4,6 oranı ile ikinci durumdadır. Şekil 1.1. Dünyada Güneş enerjisinden farklı tipte kurulu kapasite değerleri (Weiss and Mauthner, 2010) Şekil 1.2. Yıllara göre güneş enerjisinden toplayıcılar vasıtasıyla ısı enerjisine dönüştürülerek doğrudan sıcak su kullanımında dünyadaki kurulu güç gelişimi (Anonymous, 2013)

15 3 Şekil 1.3. Güneş enerjisinden toplayıcılar vasıtasıyla ısı enerjisine dönüştürülerek doğrudan sıcak su kullanımında dünyadaki devletlerin kurulu güç gelişimi (Anonymous, 2013) Ülkemizin artan hızlı nüfusuna ve ekonomisine bağlı olarak, yıllara göre tüketilen enerji rakamları da eklendiğinde 2023 yılında öngörülen toplam elektrik enerji ihtiyacının GWh olacağı öngörülmektedir. Mevcut durumlara bakıldığında ancak GWh lık kısmının yenilenebilir enerji kaynaklarıyla karşılanması gerektiği ortaya çıkmaktadır. Türkiye bulunduğu coğrafi konum ve sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli nedeniyle şanslı ülkelerden birisidir. Meteoroloji Genel Müdürlüğü nden (MGM) elde edilen verilere göre ülkemizin birim metre kare başına ortalama günlük güneş ışınım enerji değeri 3,6 kwh ve toplam yıllık güneşlenme süresi ise 2623 saattir (günlük ortalama 7,2 saat). Bu verilere dayanarak Türkiye nin yıllık güneş enerji potansiyeli 6150 TWh olmakla birlikte bunun 305 TWh lık değeri ekonomiye dönüştürülme büyüklüğü olarak hesaplanmaktadır (Kaygusuz, 2011). Tablo 1.1 de Türkiye deki bölgelere göre güneş potansiyeli verileri görülmektedir. Güneş enerjisinin hem ısı enerjisine hem de elektrik enerjisine çevriminde verimliliği etkileyen en temel faktörler güneş ışınım şiddeti ve coğrafi yapıdır. Güneş ışınım şiddeti verileri; güneş enerjisi sistemlerinin tasarımında ve sistem performansını değerlendirmelerde gerekli olan temel parametrelerdir. Bu nedenle güneş ışınımının dünya yüzeyindeki değişik enlemlerdeki bölgelere gelen miktarının kesin tespiti birçok güneş enerjisi uygulamasında büyük önem arz etmektedir.

16 4 Tablo 1.1. Türkiye deki bölgelere göre güneş potansiyeli (Kamil ve vd., 2006) Bölge Toplam ortalama Güneş enerjisi (kwh/m 2 -yıl) Ortalama Güneşlenme süresi (saat/yıl) Güneydoğu Anadolu Akdeniz Doğu Anadolu İç Anadolu Ege Marmara Karadeniz Güneş enerjisi sistemlerinde kullanılan güneş kolektör ve paneller bina yüzeyine eğimli olarak yerleştirildiklerinden; sistemin maksimum performansta çalışabilmesi için sistem hesaplamalarına gerek olan eğik düzleme gelen toplam güneş ışınım miktarlarıdır. Türkiye de yatay düzleme gelen güneş ışınım şiddet ölçümlerini, Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü (YEGM), Meteoroloji Genel Müdürlüğü (MGM) ve bazı üniversiteler yapmaktadır. Eğik düzleme gelen güneş ışınım şiddeti değerleri ise bazı çalışmalar dışında bulunmamaktadır (Anonim, 200; Bulut, 2008). Ancak eğimli düzleme gelen güneş ışınım şiddeti değerleri, yatay düzleme gelen ölçüm değerleri ve güneş ışınım modelleri yardımı ile tespit edilebilmektedir (Notton and et al., 2002; Notton and et al., 2004). Türkiye de güneş enerjisi uygulamalarına yönelik son yıllarda ciddi atılımlar gerçekleşmektedir. Özellikle güneş enerjisinden elektrik elde etmeye yönelik lisanslı ve lisanssız kurulum için ilgili yönetmelikler çıkarılmıştır. Buna göre 1 MWh ın üzerindeki kurulumlar için lisans alma zorunluluğu getirilmiştir. Ayrıca güneş enerjisine dayalı lisans başvuruları için yapılacak güneş ölçümlerine uygulamalarına dair tebliğ sayılı ve tarihli Resmi Gazetede yayımlanmış olup, en az 6 ay yerinde ölçüm yapmış olmayı zorunlu kılmıştır.

17 5 Güneş ışınım değerlerini tahmin etmek için kullanılan modellerin birçoğu, Angstrom-tip eşitlikten türetilmiştir. Angstrom eşitliği ilk olarak Angstrom tarafından ortaya atılmıştır (Akınoğlu and Ecevit, 1990). Bu modelleri bağlı kalarak ülkemizde de birçok çalışma yapılmıştır. Babur ve Demirkol, Şanlıurfa ilimiz için MGM den elde ettikleri güneş ışınım ölçüm değerlerini mevcut teorik modellere uygulayarak, modellemenin karşılaştırmasını yapmışlardır (Babur ve Demirkol, 2004). Ülgen ve Hepbaşlı; İstanbul, Ankara ve İzmir için yatay düzleme gelen toplam ışınımını veren bazı ampirik denklemleri incelemişlerdir (Ülgen and Hepbaşlı, 2003). Güngör ve arkadaşları, Mersin ili için yatay düzleme gelen güneş ışınımını farklı eğim açıları için hesaplamışlardır (Güngör ve vd., 2005). Tarhan ve Sarı, Orta Karadeniz bölgesindeki bazı illerde farklı modeller kullanarak yatay düzleme gelen günlük toplam güneş ışınımı şiddetini hesaplamışlardır (Tarhan and Sarı, 2005). Bulut ve arkadaşları ise, Şanlıurfa ilimiz için eğik düzleme gelen güneş ışınımı değerlerini farklı açı değerleri için hesaplamışlardır (Bulut ve vd., 2006). Bu çalışmanın amacı; Batman ilinde eğimli düzleme gelen güneş ışınım değerlerinin farklı açılar için ölçülerek, elde edilen bu verileri değişik güneş ışınımı modelleriyle karşılaştırarak uygun güneş ışınım modelini belirlemektir.

18 BÖLÜM 2. MATERYAL VE METOT 2.1. Güneş Enerjisi Güneş enerjisi tükenmez bir enerji olup güneş ışığından enerji elde edilmesine dayalı bir teknolojidir. Güneşin yaydığı ve dünyamıza da ulaşan enerji, güneş'in çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışınım enerjisidir. Güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden kaynaklanır. Güneş Şekil 2.1 de görüldüğü gibi 5770 K sıcaklıktaki siyah cisim ışıma spektrumuna sahiptir (Foukal, 1990). Şekil 2.1. Güneş ışınım spektrumu Atmosfer dışına gelen güneş ışınımı şiddeti günlere göre değişim göstermektedir. Astronomik birimde, atmosfer dışında birim alana dikey olarak gelen güneş ışınlarının

19 7 tüm dalga boylarını içeren birim zamandaki toplam güneş ışınım enerjisi şiddetine güneş sabiti denir ve G sc ile gösterilir yılından itibaren NASA Güneş sabiti değerini yaklaşık 1353 W/m 2 olarak almıştır. Dünya ışınım merkezi (WRC) ise güneş sabiti değerini 1367 W/m 2 olarak kabul etmiştir ve ışınım hesaplamalarında bu değer kullanılmaktadır (qbal, 1983). Yeryüzüne ulaşan güneş ışınları öncesinde atmosferde bulunan moleküller nedeniyle bir kısmının saçılarak yön değiştirmesi ve bir kısmının da soğrulması ile enerjisini belli oranda kaybederler. Saçılan ışınıma yayılı (diffuse-d) ışınım adı verilir. Bu ışınımın bir kısmı uzaya geri yansıtılırken bir kısmı da yeryüzüne ulaşır. Yeryüzüne güneşten çizilen bir doğru boyunca yön değiştirmeden gelen ışınımlara doğrudan (direct, B) ışınım adı verilir. Bir yüzey üzerine gelen güneş ışınımının bir kısmı yüzey tarafından soğrulurken, bir kısmı yansır ve bir kısmı da geçer. Gelen ışığın kaynağı güneş olduğu zaman yeryüzünden yansıyan ışınlara Albedo ismi verilir ve ρ ile gösterilir. ρ belirli bir yüzey üzerinden yansıyan ışınımın, yüzey üzerine düşen toplam ışınıma oranı olarak tanımlanır. Albedo değeri yüzeyin cinsine bağlı olarak 0,2 ile 0,8 arasında değerler almaktadır. Eğimli bir yüzey üzerindeki toplam (global-g) güneş ışınım Şekil 2.2 de gösterildiği gibi doğrudan, yayılı ve yansıyan ışınların toplamıdır (Rüther and Klesis, 1996). Şekil 2.2. Global ışınım bileşenleri

20 Temel Güneş Açıları Dünya kendi ekseninde ve güneş çevresinde iki farklı yörüngede hareket eder. Bu nedenle belirli zamanlarda dünya yüzeyine gelen güneş ışınım açılarının bilinmesinde fayda vardır. Güneş ışınlarının belirlenmesinde enlem (ϕ), saat açısı (ω) ve güneş deklinasyon açılarının (δ) bilinmesi zorunludur. Şekil 2.3 te dünya yüzeyinde yer alan temel açılar görülmektedir. Şekil 2.3. Enlem (ϕ), saat açısı (ω) ve güneş deklinasyon açısı (δ) Enlem ϕ; P noktasının ekvatordan olan açısal uzaklığıdır. Bu terim 0P doğrusu ile 0P doğrusunun ekvator düzlemindeki izdüşümü arasındaki açıdır. Kuzey enlemleri pozitif ve güney enlemleri negatiftir (-90 o ϕ 90 o ). Saat açısı ω; Saat 12 de saat açısı 0 o olur. Bir saat 15 o boylama denk gelmektedir. Saat açısı öğleden önce eksi ve öğleden sonra da artı değer alır. Deklinasyon açısı δ; Güneş ışınlarının kuzey ve güney yarımküredeki konumları ile ekvator düzlemi arasındaki açısal mesafesidir. Bu açı; güneşin merkezinden dünyanın

21 9 merkezine çizilen bir doğru ile bu doğrunun ekvator düzlemi üzerindeki iz düşümü arasında oluşan açı ile bulunur. Deklinasyon açısı bir yıl boyunca o ile 23.5 o arasında değerler almaktadır (Ramsey, 2003). Deklinasyon açısının değişimi 24 saat boyunca 0.5 o den daha düşük bir derecededir. Bu nedenle 1 gün boyunca deklinasyon açısı sabit kabul edilir (Uyarel ve Öz, 1987). Deklinasyon açısını yaklaşık olarak bulmak için sin 284 n 365 (2.1) denkleminden yararlanılır. Burada n; 1 Ocak tarihinden itibaren yıl boyunca geçen gün sayısını vermektedir (qbal, 1983) Türetilmiş Güneş Açıları Temel Güneş açılarının yanında güneş ışınımı hesaplamalarında kolaylık sağlayan açı bağıntıları tanımlanmıştır. Bunlar; güneş zenit açısı (θ z ), güneş yükseklik açısı (α) ve güneş azimut açısıdır (ψ). Ayrıca güneş ışınımından maksimum faydalanılması için güneş ışınlarının geliş açısı ve yüzey azimut açısı ayrıca ifade edilir. Dünya yüzeyindeki bir gözlemci için güneş gökyüzünde doğudan batıya doğru dairesel bir yol tarar. Şekil 2.4 te güneşin hareketi ve güneşe bağlı türetilmiş açılar görülmektedir. Şekil 2.4. Zenit, güneş yükseklik ve azimut açıları (Ramsey, 2003)

22 10 P noktasında bakan bir gözlemciye göre O noktası dünyanın merkezi ve DN güneş ışınlarının yönünü belirleyen doğrudur. Buna göre; Güneş Zenit açısı θ z, P noktasına doğrudan gelen güneş ışınlarının P noktasındaki yatay düzlemin normali ile yaptığı açıdır. Güneş Yükseklik açısı α, güneş ışınları ve güneş ışınlarının yatay düzlemdeki izdüşümü arasındaki açıdır (θ z +α=90 o ). Güneş Azimut açısı ψ, yatay düzlemde tam güney doğrultusu ile güneş ışınlarının yatay düzlemdeki izdüşümü arasında ölçülen açıdır. Zenit açısı; cos sin sin cos cos cos Z (2.2) θ z +α=90 o olduğundan güneş yükseklik açısının sinüsü zenit açısının kosinüsüne eşittir (cosθ z =sinα). Güneş yükseklik açısı ise, cos sin sin( ) cos cos( ) cos (2.3) ile hesaplanır. Burada eğim açısıdır Güneş şınım leri Güneş enerjisi sistemlerinden maksimum verimlilik elde etmek için bilinmesi gereken en önemli parametre konumun güneş ışınımıdır. Genelde yatay düzleme gelen güneş ışınımı ölçümleri yapılmasına rağmen, eğimli düzleme gelen güneş ışınımı değerleri ölçülmemektedir. Eğimli düzleme gelen güneş ışınımı ise yatay düzleme gelen ölçüm değerleri ya da modellerinden tahmin edilen güneş ışınım değerlerinden yararlanılarak tesbiti yapılabilmektedir.

23 Eğimli Düzleme Gelen Teorik Güneş şınım leri Eğimli düzleme gelen saatlik toplam güneş ışınım şiddeti şu denklem ile hesaplanır (Liu and Jordan, 1962; Duffie and Beckman, 1980; Gueymard 2000; Li and et al., 2002); (2.4) b, d, r, şeklinde olup, burada b, [W/m 2 ] cinsinden eğimli düzleme gelen doğrudan ışınım şiddetini, d, [W/m 2 ] cinsinden eğimli düzleme gelen yayılım ışınım şiddetini ve r, [W/m 2 ] cinsinden eğimli düzleme gelen yansıyan ışınım şiddetini ifade etmektedir. Bu bileşenlerin hesaplanabilmesi için yatay düzleme gelen toplam, doğrudan ve yayılım ışınım şiddetlerinin bilinmesi zorunludur. Bu nedenle bu tür ışınım değerleri çeşitli modellemelerden yararlanılarak bulunur Eğimli Düzleme Gelen Doğrudan Güneş şınım leri Liu ve Jordan i ( 1): Eğimli düzleme gelen saatlik doğrudan güneş ışınım şiddeti şu denklem yardımıyla bulunur (Liu and Jordan, 1962; Notton and et al., 2006); k b, b b (2.5) Burada b [W/m 2 ] cinsinden yatay düzleme gelen saatlik doğrudan ışınım şiddetini ve k b doğrudan ışınım katsayısı olup, k b cos cos Z (2.6) şeklinde ifade edilir.

24 12 Jimenez ve Castro i ( 2): Jimenez ve Castro modelinde eğik düzleme gelen saatlik direkt güneş ışınımının eğik düzleme gelen saatlik toplam ışınımın % 80 ine eşit olduğunu ifade eder ve şu eşitlik ile hesaplanır (Durmaz, 2007; Wong and Chow, 2001);, 0,8 k b b b (2.7) Eğimli Düzleme Gelen Yayılım Güneş şınım Şiddeti leri Eğimli düzleme gelen saatlik yayılım güneş ışınım şiddeti de literatürde bulunan çeşitli modellemeler yardımıyla hesaplanabilmektedir. Bu modellemelerde eğimli düzleme gelen saatlik yayılım ışınım şiddeti, yatay düzleme gelen saatlik yayılım ışınım şiddeti, eğim açısı ve doğrudan ışınım şiddeti dönüşüm katsayısının fonksiyonu olarak ifade edilir (Notton and et al., 2002; Notton and et al., 2004; Vartiainen, 2000; Bulut ve vd., 2006). Liu ve Jordan i ( 3): Eğimli düzleme gelen saatlik yayılım güneş ışınım şiddeti (Notton and et al., 2006); d, 1 d(1 cos ) 2 (2.8) ile bulunur. Burada ışınım şiddetidir. d [W/m 2 ] cinsinden yatay düzleme gelen saatlik yayılım güneş Koronakis i ( 4): Koronakis denklem (2.8) i modifiye ederek tekrar düzenlemiş olup ilgili denklem (Notton and et al., 2002);

25 13 d, 1 d(2 cos ) 3 (2.9) şeklini almıştır. Temps ve Coulson i ( 5): Temps ve Coulson denklem (2.8) e anisotropik terimler eklemişler ve eğimli düzleme gelen saatlik yayılım güneş ışınım şiddetini (Miguel and et al., 2001); 2 3 P1 1 cos (sin Z ) (2.10a) P2 1 sin 2 3 (2.10b) 1 (1 cos ) P P 2 d, d 1 2 (2.10c) şeklinde vermişlerdir. Klucher i ( 6): Klucher denklem (2.8) i modifiye ederek tekrar düzenlemiş olup ilgili denklem (Klucher, 1979); d F 1 2 (2.11a) d, d 1 cos 1 F cos sin Z 1 F sin (2.11b) şeklinde verilmiştir. Burada F bulutlanma derecesini ve yatay düzleme 1 saatlik süre içerisinde gelen toplam güneş ışınım şiddetini tanımlamaktadır.

26 14 Hay ve Davis i ( 7): Bu modele göre de eğimli düzleme gelen saatlik yayılım güneş ışınım şiddeti (Hay and Davies, 1980); F Hay b d (2.12a) 0 0 cos 1 cos d, d FHay (1 FHay ) cosz 2 (2.12b) şeklinde tanımlanır. Burada 0 atmosfer dışı saatlik toplam güneş ışınım şiddeti olup; Gsc f cos cos sin2 sin 1 ( 2 1 ) sin sin 10 6 (2.13) eşitliğiyle belirlenir. şekilde hesaplanır; 2 ve 1 saat açıları olup t 1 ve t 2 güneş saatleri kullanılarak şu ( t 12) 15 (2.14a) 1 1 ( t 12) 15 (2.14b) 2 2 f güneş sabiti düzeltme faktörü olup; f 2 n 1 0,033 cos 365 (2.15) eşitliği ile bulunur.

27 15 Ma ve qbal i ( 8): Ma ve qbal eğimli düzleme gelen saatlik yayılım güneş ışınım şiddetini (Ma and qbal, 1983) 2 d, d kt kb 1 kt cos 2 (2.16) şeklinde vermişlerdir. Burada k T atmosferin saatlik berraklık indeksi olup; k T (2.17) 0 şeklinde hesaplanır Eğimli Düzleme Gelen Yansıyan Güneş şınım Şiddeti leri Duffie ve Arkadaşları i ( 9): Eğimli düzleme gelen saatlik yansıyan güneş ışınım şiddeti (Duffie and Beckman, 1980); r 1, (1 cos ) 2 (2.18) eşitliği ile hesaplanır. Burada yüzey yansıtma oranı (Albedo) olup genelde 0,2 olarak hesaplarda esas alınmaktadır Yatay Düzleme Gelen Teorik Güneş şınım leri Genelde güneş enerjisi sisteminin kurulumu yapılacağı alanlarda öncelikli olarak hesaplamalarda yatay düzleme gelen saatlik toplam ve yayılım ışınım şiddetlerinin bilinmesi önemlidir. Yatay düzleme gelen saatlik toplam güneş ışınım şiddeti ölçümleri

28 16 birçok MGM istasyonlarında yapılmakta olup, bu değerlere ulaşılması kolaydır. Ancak yatay düzleme gelen saatlik yayılım ışınım şiddeti değerleri genelde ölçülmediği için bu değerlere ulaşmak kısıtlıdır. Bu nedenle yatay düzleme gelen saatlik yayılım ışınım şiddetini hesaplamak için belirli modellemelerden faydalanılır. Atmosfer dışında yatay düzlemde birim alan başına düşen günlük güneş ışınım şiddeti şu şekilde ifade edilir (Kılıç ve Öztürk, 1983); n 2Ws 0 Gsc 1 0, 033cos cos cos sinws sin sin (2.19) Aylık ortalama günlük toplam güneş ışınım şiddetinin hesaplanması ilk kez Angstrom tarafından ortaya atılmış ve Angstrom eşitliği geliştirilmiştir. Lineer model olarak bilinen Angström-Prescott-Page modeli şu şekilde ifade edilir (Angström, 1924); S ab S 0 0 (2.20) Burada günlük toplam güneş ışınım şiddetini, S güneşlenme süresini, S o gün uzunluğunu, a ve b sabitleri belirtmektedir. Ülgen ve Özbalta i ( 10): Ülgen ve Özbalta tarafından İzmir-Bornova için önerdiği model şu şekildedir (Ülgen ve Özbalta, 2000); S 0, ,5014 S 0 0 (2.21a) S S 0, ,9958 0, S0 S0 2 (2.21b)

29 17 Toğrul ve Toğrul i ( 11): Toğrul ve Toğrul tarafından; Ankara, İzmir, Antalya, Aydın, Adana ve Elazığ illeri için elde ettikleri ifadeler şu şekildedir (Toğrul and Toğrul, 2002); S 0,318 0, 449 S 0 0 (2.22) Tırıs ve Arkadaşları i ( 12): Tırıs ve arkadaşları, Angström-Prescott-Page modeline bağlı olarak a ve b katsayılarını Türkiye için genel olarak şu şekilde vermiştir (Tırıs and et al., 1997); S 0,18 0, 62 S 0 0 (2.23) Aksoy i ( 13): Aksoy; Ankara, Antalya, Samsun, Konya, Urfa ve İzmir için aylık ortalama günlük global güneş ışınımının belirlenmesi için 2 yıllık meteorolojik verileri kullanarak aşağıda verilen ikinci dereceden denklemi elde etmişlerdir (Aksoy, 1997); S S 0,148 0, 668 0, S0 S0 2 (2.24) Samuel i ( 14): Samuel, aşağıda verilen ifadeyi önermiştir (Samuel, 1991); 2 3 S S S 0,14 2,52 3, 71 2, 24 0 S0 S0 S0 (2.25)

30 18 Louche ve Arkadaşları i ( 15): Louche ve arkadaşları aşağıda verilen ifadeyi önermişlerdir (Louche and et al., 1991); S 0, 206 0,546 S 0 0 (2.26) Taşdemiroğlu ve Sever i ( 16): Taşdemiroğlu ve Sever, aşağıda verilen ifadeyi altı il (Ankara, Antalya, Diyarbakır, Gebze, İzmir ve Samsun) için geliştirmişlerdir (Taşdemiroğlu and Sever, 1991); S S 0,22 0,014 0,001 0 S0 S0 2 (2.27) Alsaad i ( 17): Alsaad Ürdün için şu ifadeyi vermiştir (Alsaad, 1990); S 0,174 0, 615 S 0 0 (2.28) Akınoğlu ve Ecevit i ( 18): Akınoğlu ve Ecevit, aşağıdaki denklemi önermiştir (Akınoğlu and Ecevit, 1990); S S 0,145 0,845 0, S0 S0 2 (2.29)

31 19 Soler i ( 19): Soler, Rietveld tarafından verilen modeli Avrupa da bulunan 100 istasyon için uygulamış ve aşağıdaki aylık korelasyonu önermiştir (Soler, 1990); Ocak Şubat S 0,18 0, 66 S 0 0 S 0,20 0,60 S 0 0 (2.30a) (2.30b) Mart S 0, 22 0,58 S 0 0 (2.30c) Nisan S 0,20 0,62 S 0 0 (2.30d) Mayıs S 0, 24 0,52 S 0 0 (2.30e) Haziran S 0, 24 0,53 S 0 0 (2.30f) Temmuz S 0, 23 0,53 S 0 0 (2.30g) Ağustos S 0, 22 0,55 S 0 0 (2.30h) Eylül S 0, 20 0,59 S 0 0 (2.30i)

32 20 Ekim S 0,19 0, 60 S 0 0 (2.30j) Kasım S 0,17 0, 66 S 0 0 (2.30k) Aralık S 0,18 0, 65 S 0 0 (2.30l) Raja ve Twindell i ( 20): Raja ve Twidell, Pakistan da bulunan beş istasyondan elde edilen güneşlenme verilerine bağlı olarak şu formülü önermişlerdir (Raja and Twidel, 1990); S 0,335 0,367 S 0 0 (2.31) Gopinathan i ( 21): Gopinathan, Angström-Prescott-Page katsayılarını şu şekilde önermiştir (Gopinathan, 1988); a 0,265 0,07Z 0,136 S S0 (2.32a) b 0,401 0,108Z 0,0325 S S0 (2.32b) Burada Z rakımı (km) göstermektedir.

33 21 Newland i ( 22): Newland, logaritmik terimli ifadeyi şu şekilde vermiştir (Newland, 1988); S S 0,34 0, 40 0,17 log 0 S0 S0 (2.33) Jain ve Jain i ( 23): Jain ve Jain Zimbabwe deki belirli istasyonlardan aldığı verilerle aşağıda verilen ifadeyi önermişlerdir (Jain and Jain, 1988); S 0, 240 0,513 S 0 0 (2.34) Bahel ve Arkadaşları i ( 24): Bahel ve arkadaşları, dünya genelinde bulunan 48 istasyon için aşağıda verilen ifadeyi gelişirmişlerdir (Bahel and et al., 1987); 2 3 S S S 0,16 0,87 0,16 0,34 0 S0 S0 S0 (2.35) Jain i ( 25): Jain İtalya daki 31 adet bölge için elde ettiği ifade şu şekildedir (Jain, 1986); S 0,177 0, 692 S 0 0 (2.36)

34 22 Bahel i ( 26): Bahel in önerdiği ifade şu şekildedir (Bahel and et al., 1987); S 0,175 0,552 S 0 0 (2.37) Zabara i ( 27): Zabara, a ve b katsayıları için polinom regresyon tekniğini kullanarak Angström-Prescott- Page modeli için a ve b katsayılarını günlük güneş ışınımı ilişkisiyle (S/S 0 ) hesaplamıştır (Zabara, 1986); 2 3 S S S a 0,395 1, 24 2, 68 1, 67 S S S (2.38a) 2 3 S S S b 0,39 1,38 3, 24 2, 055 S S S (2.38b) Ögelman ve Arkadaşları i ( 28): Ögelman ve arkadaşları, aşağıda verilen denklemi elde etmişlerdir (Ögelman and et al., 1984); S S 0,195 0, 676 0,142 0 S0 S0 2 (2.39) Benson ve Arkadaşları i ( 29): Benson ve arkadaşları, bir yıl için iki farklı formül önermişlerdir. Ekim-Mart ve Nisan- Eylül aralığı için önerilen formüller (Benson and et al., 1984);

35 23 S 0,18 0, 60 S 0 0 (2.40a) S 0, 24 0,53 S 0 0 (2.40b) şeklindedir. Kılıç ve Öztürk i ( 30): Kılıç ve Öztürk, a ve b katsayılarını aşağıdaki gibi vermiştir (Kılıç ve Öztürk, 1983); a 0,103 0,00001Z 0,19cos (2.41a) b 0,533 0,165cos (2.41b) Lewis i ( 31): Lewis Zimbabwe deki üç farklı istasyon için aşağıda verilen ifadeyi önermiştir (Lewis, 1983); S 0,754 0,654 S 0 0 (2.42) Kholagi ve Arkadaşları i ( 32): Kholagi ve arkadaşları Yemen de üç farklı istasyondan alınan verilerle aşağıda verilen ifadeleri önermişlerdir (Kholagi and et al., 1983); S 0,1910,571 S 0 0 (2.43a)

36 24 S 0,297 0,432 S 0 0 (2.43b) S 0,262 0,454 S 0 0 (2.43c) Dogniaux ve Lemoine i ( 33): Dogniaux ve Lemoine, global güneş radyasyonunun hesaplanması için şu modeli önermişlerdir (Dogniaux and Lemoine, 1983); 0, , S 0, ,32029 S 0 S0 S0 (2.44) Yatay Düzleme Gelen Yayılı ve Doğrudan Güneş şınımı Hesaplama leri Literatürde yatay düzleme gelen yayılı ve doğrudan güneş ışınım şiddetinin belirlenmesinde faydalanılan modeller berraklık indeksi ve yayılı ışınım oranı gibi parametrelerin fonksiyonu olarak verilir (Wong and Chow, 2001; Miguel and et al., 2001). Denklem (2.18) de ifade edilen berraklık indeksi yanında, k d d (2.45a) k D d (2.45b) 0 k b b 0 (2.45c)

37 25 ifadeleri de vardır. Burada k d yayılım ışınım oranını ve k D ise yayılım ışınım katsayısını vermektedir. Yatay düzleme gelen yayılı ışınım ve yatay düzleme gelen doğrudan ışınım şiddeti değerleri k T, k d, k D ve k b katsayılarına bağlı olarak hesaplanabilmektedir. Liu ve Jordan i ( 34): Bu modele göre yatay yüzeydeki yayılı ışınım katsayısı berraklık indeksine bağlı, yatay düzlemdeki doğrudan ışınım katsayısı yayılı ışınım katsayısına bağlı olarak ve yatay düzleme gelen yayılı ışınım şiddeti ile doğrudan ışınım şiddeti değerleri de bu katsayılara bağlı olarak hesaplanabilmektedir (Liu and Jordan; 1962). k D 0,0271 0, 2939 k b (2.46a) k k k b d T b D 0 (2.46b) k D 0,384 0, 416 k T (2.46c) Orgill ve Hollands i ( 35): Bu modele göre yatay düzleme gelen yayılı ışınım şiddeti berraklık indeksine ve yayılı ışınım oranına bağlı olarak hesaplanabilmektedir (Orgill and Hollands, 1977). k 10, 249 k ; k 0,35 d T T (2.47a) k 1,577 1,84 k ; 0,35 k 0,35 (2.47b) d T T k 0,177 ; k 0,75 (2.47c) d T

38 26 Erbs ve Arkadaşları i ( 36): Erbs ve arkadaşları Amerika da 31 ve 42 o enlem arasındaki 5 istasyonda elde ettiği verileri incelemişler ve yatay düzleme gelen yayılı ışınım şiddeti için berraklık indeksine ve yayılı ışınım oranına bağlı olarak korelasyon katsayılarını şu şekilde hesaplamışlardır (Erbs and et al., 1982); k 1,009 k ; k 0, 22 d T T (2.48a) k k k k k k d 0,9511 0,1604 T +4,388 T -16,638 T +12,336 T ; 0, 22 T 0,8 (2.48b) k d 0,165 ; k 0,8 T (2.48c) Spencer i ( 37): Spencer Avustralya daki 5 istasyon için günlük yayılım ışınım şiddetini enleme bağlı olarak hesaplamış ve şu ifadeleri elde etmiştir (Spencer, 1982); k a3 b3 k ; 0,35 k 0,75 d T T (2.49a) a3 0,94 0,0118 (2.49b) b3 1,185 0,0135 (2.49c) Reindl ve Arkadaşları i ( 38): Reindl ve arkadaşları Avrupa ve Amerika daki 5 istasyondan aldıkları verileri kullanarak iki model önermişlerdir. Birinci modelde yatay düzleme gelen yayılı ışınım miktarını berraklık indeksine ve yayılı ışınım oranına bağlı olarak vermişlerdir (Reindl and et al., 1990);

39 27 k 1,02 0, 248 k ; k 0,3 d T T (2.50a) k 1, 45 1,67 k ; 0,3< k 0,78 d T T (2.50b) k d 1,147 ; k 0,78 T (2.50c) İkinci modelde ise güneş enlemine bağlı olarak ifadeler verilmiştir; k 1,02 0, 254 k 0,0123 sin ; k 0,3 d T T (2.51a) k 1, 4 1,749 k 0,177 sin ; 0,3< k 0,78 d T T (2.51b) k 0, 486 k 0,182 sin ; k 0,78 d T T (2.51c) 2.5. Batman İlinin Güneş Enerjisi Potansiyeli Bir yerin güneş enerjisinden en verimli şekilde yararlanabilmesi için verimliliği etkileyen temel faktörlerin başında yerin coğrafi konumu ve güneş ışınım şiddeti değeri gelmektedir. Batman ili ülkemizin Güneydoğu Anadolu bölgesinde yer almakta olup, Şekil 2.5 teki güneş enerjisi atlasında görüldüğü gibi güneş ışınımının yüksek olduğu kuşak alanında bulunmaktadır. Şekil 2.6 da ise Batman ili sınırları içerisindeki bölgelerde yıllık 1650 kwh/kw p değerinin üzerinde bir elektrik enerjisi üretimi söz konusudur.

40 28 Şekil 2.5. Türkiye güneş enerjisi haritası ( Şekil 2.6. Batman ilinin güneş enerjisi haritası (